■郑孝炼

（宁德三都澳高速公路有限责任公司，宁德 355100）

近年来， 随着高速公路拓宽工程的大规模发展，有效解决了我国部分地区的交通拥堵问题[1]。 但在道路扩建施工过程中，由于设计者对软土地基加固处理不当，导致道路新旧路基间存在较大沉降差异，甚至出现路面纵向裂缝及路基开裂现象，严重影响了道路安全稳定性[2-3]。 因此，如何有效处治拓宽工程中的软土地基，以及降低新旧路基间的沉降差异已成为当下学者亟需研究的重要课题[4]。 如赵鑫[5]研究了水泥搅拌桩对公路软土地基深层处治效果， 通过布置测点对处治后地基沉降进行监测，发现桩体强度、桩间土强度及单桩承载力均满足设计安全；张秀勇等[6]研究了碎石桩加固湖相沉积软土地基的效果，发现路堤在这种柔性基础下，采用加设碎石垫层的碎石桩复合地基可以显著改善深厚软土地基的承载性能；谢全福等[7]发现锤击成孔振冲碎石桩具有便于取材、工程造价低、施工工艺简便等优点，能够显著提高软土地基的承载力，可在工程实践中广泛应用；王荃[8]发现采用合理的软土路基加固粉喷桩施工技术，可有效改善软土路基问题，提高路基整体质量，为同类软土路基施工提供参考意见。 目前，学者关于不同类型桩基处治软土地基的设计与施工研究已相对完善，但关于泡沫轻质土处治软土地基的研究还有待进一步深入。 基于此，本文以某高速公路拓宽项目为研究对象，通过有限元软件对比分析了CFG 桩、PTC 管桩及泡沫轻质土对软土地基的处治效果，并确定了泡沫轻质土处治软土地基的优良效果。

1 工程概况

某高速公路拓宽项目位于平原地区，沿线公路地势平坦，地形简单，软土分布较为广泛，各土层在水平方向分布及性质较为均匀。 地区降水季节性分布差异明显，雨季主要集中在7-10 月，降水量约为420 mm，占全年降水量的60%左右。气候四季分明，且差异较大，夏季表现为闷热干燥、降水少，冬季寒冷潮湿、 降水多，7 月份整体气温偏高，1 月份整体气温偏低。 该拓宽项目原设计高速公路为双向四车道，设计车速为120 km/h，路基宽度为25 m，路基高度在2.5～6 m，原路基边坡坡度均为1∶1.75，路基拓宽方式采用两侧道路同时拼接加宽，单侧拓宽宽度为4.25 m，高速公路拓宽为双向六车道，路基边坡坡度设计为1∶1.5。根据原地质勘测结果显示，该路段软土地基厚度在16～28 m，主要由5.5 m 厚淤泥质黏土层、7.5 m 厚粉质黏土层、8 m 厚黏土层和9 m 厚粉细砂层构成，其关键截面如图1 所示。

图1 软土路基截面示意图

2 地基处理方案

根据对软土分布情况以及各层土体技术参数的分析，同时结合对施工难度、填土高度及经济效益等因素的综合考虑，该高速公路拓宽工程可采用水泥粉煤灰碎石桩（CFG 桩）、预应力混凝土薄壁管桩（PTC 管桩）及泡沫轻质土3 种软土地基处理方案，具体施工流程及优缺点如表1 所示。

表1 软土地基处理方案施工流程及优缺点

3 有限元模型

运用有限元软件PLAXIS 建立高速公路拓宽路基数值模型，计算模型水平影响区域为60 m，计算深度取至地下30 m， 网格划分采用高精度的15 节点三角形单元，模型中共包含427 个单元和503 个节点，其有限元模型如图2 所示。

图2 软土路基有限元模型

为方便计算，在有限元分析中假定路面、土体及桩体均为各项同性均质体，路面、桩体均为线弹性体，遵循广义胡克定律，土体采用摩尔—库伦塑性模型，视为理想弹塑性体。 地基土体为非饱和状态，不考虑孔隙水压力作用和桩体重力作用，桩体与地基土不产生相对滑移。 边界采用标准固定边界，对模型底部及右侧施加固定约束，水平位移和竖直位移均为0，模型两侧均施加水平位移约束，竖直向位移无约束， 路基表面及边坡均为自由界面。计算参数主要考虑新、旧路基土、粉质黏土、淤泥质黏土、黏土及粉细砂层，如表2 所示。

表2 有限元模型计算参数

4 结果与分析

4.1 CFG 桩处理软土地基沉降分析

通过建立CFG 桩处理的软土地基计算模型，桩间距设为2 m， 针对不同桩长的新旧路基表面沉降变化规律进行对比分析，计算结果如图3 所示。

图3 CFG 桩处理地基沉降变化曲线

根据图3 可知， 软土地基未采用CFG 桩加固时，新旧路基表面的整体沉降值要明显大于加固过的新旧路基，说明采用CFG 桩加固软土地基可以有效降低拓宽路基沉降。 随着CFG 桩长的增大，拓宽路基表面沉降值逐渐减小，其中采用8 m 桩长加固的拓宽路基最大沉降值可降低24.9%， 采用10 m桩长加固的拓宽路基最大沉降值可降低31.6%，采用12 m 桩长加固的拓宽路基最大沉降值可降低37.3%，由此可知软土地基加固长度越长，拓宽路基表面的整体沉降值越小。 综合来看，软土地基选择12 m 的CFG 桩加固时， 对于拓宽路基的沉降差异控制效果更优。

4.2 PTC 管桩处理软土地基沉降分析

通过建立PTC 桩处理的软土地基计算模型，桩间距设为2 m， 针对不同桩长的新旧路基表面沉降变化规律进行对比分析，计算结果如图4 所示。

图4 PTC 桩处理地基沉降变化曲线

根据图4 可知， 软土地基未采用PTC 桩加固时，新旧路基表面的整体沉降值要明显大于加固过的新旧路基，说明采用PTC 桩加固软土地基可以有效降低拓宽路基沉降。 随着PTC 桩长的增大，拓宽路基表面沉降值逐渐减小， 其中采用12 m 桩长加固的拓宽路基最大沉降值可降低31.7%，采用14 m桩长加固的拓宽路基最大沉降值可降低37.3%，采用16 m 桩长加固的拓宽路基最大沉降值可降低49.7%，由此可知软土地基加固长度越长，拓宽路基表面的整体沉降值越小。 综合来看，软土地基选择16 m 的PTC 桩加固时，对于拓宽路基的沉降差异控制效果更优。

4.3 泡沫轻质土处理软土地基沉降分析

通过建立泡沫轻质土处理软土地基计算模型，针对新旧路基表面沉降变化规律进行对比分析，计算结果如图5 所示。

图5 泡沫轻质土处理地基沉降变化曲线

根据图5 可知，采用泡沫轻质土处理软土地基时，新旧路基表面的整体沉降值要明显小于未加桩的新旧路基，说明采用泡沫轻质土处理软土地基可以有效降低拓宽路基沉降。 对于旧路基而言，采用泡沫轻质土处理软土地基后，路基表面最大沉降值可降低46.7%，对于新旧路基结合处而言，采用泡沫轻质土处理软土地基后，路基表面最大沉降值可降低54.6%，对于新路基而言，采用泡沫轻质土处理软土地基后，路基表面最大沉降值可降低59.2%，由此说明软土地基采用泡沫轻质土进行处理时，对于控制拓宽路基的不均匀沉降效果非常显著。

4.4 不同地基处理方案效果分析

为比较不同地基处理方案的加固效果，分别采用12 m 的CFG 桩、16 m 的PTC 管桩及泡沫轻质土处理软土地基，并针对新路基最大沉降及新旧路基最大沉降差异值进行对比分析，结果如图6 所示。

图6 不同地基处理方式沉降变化曲线

根据图6 可知， 采用3 种软土地基处理方案后，新旧路基的最大沉降值和差异沉降值要明显小于未加桩的新旧路基，说明3 种软土地基处理方案均可有效降低拓宽路基沉降。 对于控制新路基最大沉降而言，未加桩的新路基最大沉降值为14.23 mm，而采用CFG 桩、PTC 管桩及泡沫轻质土处理的新路基最大沉降值分别可降低5.27、7.29 和8.43 mm，其中泡沫轻质土的地基处理方式效果最好。 对于控制新路基最大沉降差异而言，未加桩的新路基最大沉降差异为8.48 mm，而采用CFG 桩、PTC 管桩及泡沫轻质土处理的新路基最大沉降差异分别可降低4.72、5.7 和5.86 mm， 其中PTC 管桩和泡沫轻质土的地基处理方式效果较好。 综合来看，对于控制新旧路基的最大沉降和不均匀沉降而言，本项目的软土地基采用泡沫轻质土处理方式效果更好。 另外，因泡沫轻质土内部分布着大量的单独闭合胶质气泡，一般情况下气泡之间是互不通水，但如果施工不当，损坏了泡沫轻质土内部结构，可能会导致出现渗水现象。 因此，在施工前，要做好专项施工方案并对施工人员做好相关培训，以杜绝因泡沫轻质土损坏而产生的的渗水现象发生。 此外，在部分地下水含量较高的区域，路基处理还可以采用“桩+泡沫轻质土”的联合处理方案，以保证路基处理满足使用要求。

5 结论

（1）采用CFG 桩处理软土地基可以有效降低拓宽路基沉降，且桩长越长，拓宽路基表面沉降值越小，选择12 m 的CFG 桩加固对于拓宽路基的沉降差异控制效果更优。 （2）采用PTC 桩处理软土地基可以有效降低拓宽路基沉降，且桩长越长，拓宽路基表面沉降值越小，PTC 桩长设计为16 m 的处治效果最好。 （3）采用泡沫轻质土处理软土地基时，可以有效降低新、旧路基表面及新旧路基结合处的最大沉降值，对于控制拓宽路基的不均匀沉降效果非常显著。 （4）综合来看，该拓宽项目软土地基采用泡沫轻质土处理为更佳方案，处理时应考虑其形态要求，确保其整体稳定性，做好防水设施，制作过程应严格按设计及规范要求施工。